水平軸風(fēng)輪機(jī)葉片技術(shù)綜述

朱敏 肖橫洋 何玉玲

摘 要：風(fēng)能是新能源中利用技術(shù)相對成熟、分布廣泛、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、可再生的綠色能源。目前，風(fēng)能利用的主要形式是風(fēng)輪機(jī)用葉片捕捉風(fēng)，旋轉(zhuǎn)的葉片驅(qū)動與發(fā)電機(jī)連接的軸，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)殡姡瑥亩鴮L(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)輪機(jī)的核心部件是葉片。本文以水平軸風(fēng)輪機(jī)葉片的專利申請作為分析對象，分析風(fēng)輪機(jī)葉片的專利申請情況、技術(shù)發(fā)展路線和主要申請人研發(fā)方向、分布情況。

關(guān)鍵詞：風(fēng)輪機(jī)；葉片；纖維；樹脂

中圖分類號：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）08-0041-02

Review of Horizontal Axis Wind Turbine Blad Technology

ZHU Min XIAO Hengyang HE Yuling

（Patent Examination Cooperation Sichuan Center of the Patent Office， SIPO，Chengdu Sichuan 610213）

Abstract： Wind energy is a kind of green energy which is relatively mature， widely distributed， economical， environment-friendly and renewable. At present， the main form of wind energy utilization is wind turbine blades used to catch wind. The rotating blades drive the shaft connected to the generator and convert the rotation into electricity， thereby converting the kinetic energy of the wind into electrical energy. The core component of the wind turbine is the blade. In this paper， the patent application of horizontal axis wind turbine blades is taken as the analysis object， the patent application， technical development route， research and development direction were analyzed.

Keywords： wind turbine；blade；fiber； resin

1 水平軸風(fēng)輪機(jī)葉片概述

風(fēng)能是一種可再生新能源，當(dāng)前獲取風(fēng)能的方式主要是利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能來實現(xiàn)。風(fēng)能發(fā)電機(jī)組通常包括風(fēng)輪機(jī)葉片、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、儲存設(shè)備、塔和電氣系統(tǒng)，風(fēng)輪機(jī)葉片是聯(lián)系風(fēng)與發(fā)電機(jī)組，直接用于捕捉風(fēng)能，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最重要的部件之一。風(fēng)輪機(jī)葉片的尺寸從20世紀(jì)70年代的5m到2000年的34m，一直發(fā)展到2016年的約80m。風(fēng)輪機(jī)按照風(fēng)輪軸與地面的相對角度可分為水平軸風(fēng)輪機(jī)和垂直軸風(fēng)輪機(jī)，水平軸風(fēng)輪機(jī)在塔頂設(shè)有一個風(fēng)輪軸和發(fā)電機(jī)，并且指向風(fēng)中，風(fēng)輪軸與地面是平行的，葉片應(yīng)被制成不易彎折且強(qiáng)度足夠高，以抵御由強(qiáng)風(fēng)造成的攪力、剪力及扭力。垂直軸風(fēng)輪機(jī)包括固定垂直的葉片中心回轉(zhuǎn)桿塔，葉片中心回轉(zhuǎn)塔桿與地面呈垂直狀態(tài)，葉片可相對中心桿塔旋轉(zhuǎn)并徑向移動。水平軸風(fēng)輪機(jī)是采用較多的形式，因其當(dāng)風(fēng)速過大、功率過高的時候，風(fēng)輪機(jī)能夠被自行抬起從而進(jìn)行自我保護(hù)。

根據(jù)葉片的數(shù)目可以將風(fēng)輪機(jī)分為單葉式、雙葉式、三葉式和多葉式，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)輪機(jī)的設(shè)計發(fā)電能力為1～5MW，裝有多枚30～90m長的葉片，通過葉片旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能[1]。

影響水平軸風(fēng)輪機(jī)葉片的因素有很多，如葉片長度、葉片輪廓、質(zhì)量等，風(fēng)輪機(jī)葉片一般由下列參數(shù)描述：翼型最大厚度及其位置、對應(yīng)于葉片橫截面的翼型弦長、中弧線彎度及位置、翼型扭轉(zhuǎn)角和參考點位置，葉片旋轉(zhuǎn)過程中，需要同時承受氣動力、離心力和自身重力等復(fù)雜載荷的作用，葉片的結(jié)構(gòu)、材料選擇、加工方法等直接影響風(fēng)輪機(jī)的功率和性能。

早期風(fēng)輪機(jī)葉片是采用木材和帆布制造的，由此制作的風(fēng)輪機(jī)葉片空氣動力學(xué)效率低，使用過程中需要大量的維護(hù)工作，后期上述結(jié)構(gòu)被翼型結(jié)構(gòu)代替，使用纖維、樹脂、金屬構(gòu)成的復(fù)合材料。目前普遍采用纖維增強(qiáng)材料，由于纖維增強(qiáng)樹脂的質(zhì)量相對較輕，在制作大型葉片時通常使用此種材料。為進(jìn)一步增強(qiáng)葉片耐用程度，除選擇優(yōu)異性能材料外，還可在葉片內(nèi)部設(shè)置附件如桁架或翼梁，利用其對葉片的力學(xué)分布進(jìn)行調(diào)控，以提升葉片的整體強(qiáng)度，避免局部應(yīng)力集中而造成葉片損壞[2-4]。

2 技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

采用2018年1月前公布的與風(fēng)輪機(jī)葉片相關(guān)的專利申請、論文和專業(yè)書籍對風(fēng)輪機(jī)葉片技術(shù)進(jìn)行分析和整理。

2.1 申請量年度分布

1978年，風(fēng)輪機(jī)葉片技術(shù)首次申請專利，其發(fā)展經(jīng)歷4個階段：第一階段（1978—2002年）為萌芽期，申請量較少，技術(shù)處于較低的水平，為風(fēng)輪機(jī)葉片技術(shù)起步階段；第二階段（2002—2006年）為緩慢增長期，專利申請的數(shù)量相對于第一階段有較大提升，但增長速度較緩，申請量主要集中在領(lǐng)頭企業(yè)；第三階段（2006—2011年）為爆發(fā)式增長期，專利申請數(shù)量與增長速度均較前一階段明顯提升，在2011年申請量達(dá)到歷史頂峰；第四階段（2011—2017年）為衰減期，經(jīng)歷過2011年的申請量高點后，后期申請量呈下降趨勢，處于技術(shù)瓶頸期。

2.2 專利地域分布

專利申請的地域分布可以反應(yīng)技術(shù)在各個國家的發(fā)展水平、受重視程度，美、中國、丹麥、德這五國的申請總量占據(jù)所有專利申請總量的82%，是主要技術(shù)市場。丹麥?zhǔn)鞘澜缟献钤缋蔑L(fēng)力發(fā)電的國家，也是世界最大的風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)國之一，其風(fēng)電比例在整體供電中達(dá)到42%，屬全球最高。20世紀(jì)60年代，由于石油價格下降導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電處于停滯狀態(tài)，隨后由于石油危機(jī)的沖擊以及化石燃料所帶來的嚴(yán)重環(huán)境污染問題，風(fēng)力發(fā)電再次受到重視，美、德、丹麥、加拿大等國家大力開發(fā)風(fēng)力發(fā)電，是風(fēng)力發(fā)電的大國，擁有相當(dāng)規(guī)模的大型風(fēng)電場，風(fēng)能發(fā)電已成為可再生能源利用領(lǐng)域的主力軍。

2.3 技術(shù)演進(jìn)路線

通過對風(fēng)輪機(jī)葉片各時期的專利文獻(xiàn)進(jìn)行梳理與分析，得出風(fēng)輪機(jī)葉片的技術(shù)演進(jìn)路線。對于葉片設(shè)計，典型申請出現(xiàn)于1988年，由DWR風(fēng)能有限公司系統(tǒng)地研究了葉片各部分厚度、弦長及扭轉(zhuǎn)角對葉片性能的影響，解決了現(xiàn)有技術(shù)中由于葉片設(shè)計不合理而造成轉(zhuǎn)子負(fù)載增加，使得風(fēng)能利用率低下以及葉片前、后緣損傷的問題。此后的研究主要集中于葉片表面輪廓的設(shè)計、葉片的尺寸調(diào)節(jié)、葉片數(shù)量的改變以及其角度改變，除了對葉片后緣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整外，還通過對葉片元件各部分進(jìn)行調(diào)整以改變?nèi)~片的動力學(xué)截面，如在葉片上設(shè)置多個葉尖以對葉片表面的空氣流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得葉片易于在低風(fēng)速下達(dá)到額定功率，同時避免葉片在風(fēng)速較大的情況下負(fù)載過大。盡可能根據(jù)使用環(huán)境來調(diào)整葉片輪廓的角度、數(shù)量及尺寸，進(jìn)而提高風(fēng)能利用率，避免葉片被損壞。

在材料選擇方面，鑒于風(fēng)輪機(jī)葉片巨型尺寸的限制，通常采用玻璃纖維、碳纖維作為增強(qiáng)材料，熱塑性、熱固性樹脂如聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂作為基體成型葉片，以實現(xiàn)其輕型化。研究初期一般使用一種增強(qiáng)材料，后期逐漸轉(zhuǎn)向使用多種纖維，或使用金屬絲、納米顆粒與纖維共同增強(qiáng)基體，調(diào)控長短纖維的比例及纖維的端部結(jié)構(gòu)，在基體中放入泡沫芯、木芯或金屬芯等芯材作為嵌入件，以提高葉片的機(jī)械強(qiáng)度，滿足其巨型化、輕型化要求。

在成型工藝方面，纏繞成型工藝的研究是最少的。初次利用纏繞成型整體葉片是聯(lián)合技術(shù)公司于1979年采用由管狀的內(nèi)殼、外殼構(gòu)成，內(nèi)外殼通過膠黏劑黏合形成錐度結(jié)構(gòu)的中空模芯，將其安裝在纏繞機(jī)構(gòu)上，將纖維纏繞在中空模芯外表面以制備風(fēng)輪機(jī)葉片翼梁，成型完成后將中空模芯脫模后得到成型的翼梁結(jié)構(gòu)。后期主要采用纏繞成型工藝制備葉片的局部部件或者預(yù)制件，隨后利用模具對制作完成的部件進(jìn)行黏結(jié)成型。模壓成型工藝是最常用的制作葉片的方法，研究方向主要是提高模制部件的質(zhì)量，采用的手段主要通過對模具設(shè)計、增強(qiáng)材料的鋪層順序、樹脂注塑預(yù)浸漬工藝以及產(chǎn)品脫模進(jìn)行改進(jìn)。

3 結(jié)語

隨著技術(shù)的發(fā)展，各個技術(shù)分支之間存在大量的交叉研究，通過各個分支之間相互配合以實現(xiàn)技術(shù)改進(jìn)，如針對葉片的巨型化、輕型化設(shè)計，成型工藝的研究、材料選擇以及模具設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉炯.風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片動力學(xué)特性研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2014.

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[3]蔡新.風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片[M].北京：中國水利水電出版社，2014.

[4]劉靖.風(fēng)電場運行維護(hù)與檢修技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.